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EMI/EMC設計講座(一)PCB被動組件的隱藏特性解析
摘要: 電路PCB的EMI,、EMC設計知識,,詳細的講述了電阻、電容、電感,、變壓器等元件在設計PCB中的作用,。并詳細地講述了EMI,、EMC知識,。
關鍵詞: EMC|EMI PCB EMI EMC
Abstract:
Key words :

  傳統(tǒng)上,EMC一直被視為「黑色魔術(black magic)」,。其實,,EMC是可以藉由數(shù)學公式來理解的。不過,,縱使有數(shù)學分析方法可以利用,,但那些數(shù)學方程式對實際的EMC電路設計而言,仍然太過復雜了,。幸運的是,,在大多數(shù)的實務工作中,工程師并不需要完全理解那些復雜的數(shù)學公式和存在于EMC規(guī)范中的學理依據(jù),,只要藉由簡單的數(shù)學模型,,就能夠明白要如何達到EMC的要求。

  本文藉由簡單的數(shù)學公式和電磁理論,,來說明在印刷電路板(PCB)上被動組件(passive component)的隱藏行為和特性,,這些都是工程師想讓所設計的電子產(chǎn)品通過EMC標準時,事先所必須具備的基本知識,。
 
導線和PCB走線

  導線(wire),、走線(trace)、固定架……等看似不起眼的組件,,卻經(jīng)常成為射頻能量的最佳發(fā)射器(亦即,,EMI的來源)。每一種組件都具有電感,,這包含硅芯片的焊線(bond wire)、以及電阻、電容,、電感的接腳,。每根導線或走線都包含有隱藏的寄生電容和電感。這些寄生性組件會影響導線的阻抗大小,,而且對頻率很敏感,。依據(jù)LC的值(決定自共振頻率)和PCB走線的長度,在某組件和PCB走線之

 

間,,可以產(chǎn)生自共振(self-resonance),,因此,形成一根有效率的輻射天線,。

 

  在低頻時,,導線大致上只具有電阻的特性。但在高頻時,,導線就具有電感的特性,。因為變成高頻后,會造成阻抗大小的變化,,進而改變導線或PCB走線與接地之間的EMC設計,,這時必需使用接地面(ground plane)和接地網(wǎng)格(ground grid)。

  導線和PCB走線的最主要差別只在于,,導線是圓形的,,走線是長方形的。導線或走線的阻抗包含電阻R和感抗XL = 2πfL,,在高頻時,,此阻抗定義為Z = R + j XL j2πfL,沒有容抗Xc = 1/2πfC存在,。頻率高于100 kHz以上時,,感抗大于電阻,此時導線或走線不再是低電阻的連接線,,而是電感,。一般而言,在音頻以上工作的導線或走線應該視為電感,,不能再看成電阻,,而且可以是射頻天線。

  大多數(shù)天線的長度是等于某一特定頻率的1/4或1/2波長(λ),。因此在EMC的規(guī)范中,,不容許導線或走線在某一特定頻率的λ/20以下工作,因為這會使它突然地變成一根高效能的天線,。電感和電容會造成電路的諧振,,此現(xiàn)象是不會在它們的規(guī)格書中記載的,。

  例如:假設有一根10公分的走線,R = 57 mΩ,,8 nH/cm,,所以電感值總共是80 nH。在100 kHz時,,可以得到感抗50 mΩ,。當頻率超過100 kHz以上時,此走線將變成電感,,它的電阻值可以忽略不計,。因此,此10公分的走線將在頻率超過150 MHz時,,將形成一根有效率的輻射天線,。因為在150 MHz時,其波長λ= 2公尺,,所以λ/20 = 10公分 = 走線的長度,;若頻率大于150 MHz,其波長λ將變小,,其1/4λ或1/2λ值將接近于走線的長度(10公分),,于是逐漸形成一根完美的天線。

電阻

  電阻是在PCB上最常見到的組件,。電阻的材質(zhì)(碳合成,、碳膜、云母,、繞線型…等)限制了頻率響應的作用和EMC的效果,。繞線型電阻并不適合于高頻應用,因為在導線內(nèi)存在著過多的電感,。碳膜電阻雖然包含有電感,,但有時適合于高頻應用,因為它的接腳之電感值并不大,。

  一般人常忽略的是,,電阻的封裝大小和寄生電容。寄生電容存在于電阻的兩個終端之間,,它們在極高頻時,,會對正常的電路特性造成破壞,尤其是頻率達到GHz時,。不過,,對大多數(shù)的應用電路而言,在電阻接腳之間的寄生電容不會比接腳電感來得重要,。

  當電阻承受超高電壓極限(overvoltage stress)考驗時,,必須注意電阻的變化,。如果在電阻上發(fā)生了「靜電釋放(ESD)」現(xiàn)象,則會發(fā)生有趣的事,。如果電阻是表面黏著(surface mount)組件,,此電阻很可能會被電弧打穿,。如果電阻具有接腳,,ESD會發(fā)現(xiàn)此電阻的高電阻(和高電感)路徑,并避免進入被此電阻所保護的電路,。其實,,真正的保護者是此電阻所隱藏的電感和電容特性。
  
電容

  電容一般是應用在電源總線(power bus),,提供去耦合(decouple),、旁路(bypass)、和維持固定的直流電壓和電流(bulk)之功能,。真正單純的電容會維持它的電容值,,直到達到自共振頻率。超過此自共振頻率,,電容特性會變成像電感一樣,。這可以由公式:Xc=1/2πfC來說明,Xc是容抗(單位是Ω),。例如:10μf的電解電容,,在10 kHz時,容抗是1.6Ω,;在100 MHz時,,降到160μΩ。因此在100 MHz時,,存在著短路(short circuit)效應,,這對EMC而言是很理想的。但是,,電解電容的電氣參數(shù):等效串聯(lián)電感(equivalent series inductance,;ES L)和等效串聯(lián)電阻(equivalent series resistance;ESR),,將會限制此電容只能在頻率1 MHz以下工作,。

 

  電容的使用也和接腳電感與體積結(jié)構有關,這些因素決定了寄生電感的數(shù)目和大小,。寄生電感存在于電容的焊線之間,,它們使電容在超過自共振頻率以上時,產(chǎn)生和電感一樣的行為,,電容因此失去了原先設定的功能,。
  
電感

 

  電感是用來控制PCB內(nèi)的EMI,。對電感而言,它的感抗是和頻率成正比的,。這可以由公式:XL = 2πfL來說明,,XL是感抗(單位是Ω)。例如:一個理想的10 mH電感,,在10 kHz時,,感抗是628Ω;在100 MHz時,,增加到6.2 MΩ,。因此在100 MHz時,此電感可以視為開路(open circuit),。在100 MHz時,,若讓一個訊號通過此電感,將會造成此訊號質(zhì)量的下降(這是從時域來觀察),。和電容一樣,,此電感的電氣參數(shù)(線圈之間的寄生電容)限制了此電感只能在頻率1 MHz以下工作。

  問題是,,在高頻時,,若不能使用電感,那要使用什么呢,?答案是,,應該使用「鐵粉珠(ferrite bead)」。鐵粉材料是鐵鎂或鐵鎳合金,,這些材 料具有高的導磁系數(shù)(permeability),,在高頻和高阻抗下,電感內(nèi)線圈之間的電容值會最小,。鐵粉珠通常只適用于高頻電路,,因為在低頻時,它們基本上是保有電感的完整特性(包含有電阻和抗性分量),,因此會造成線路上的些微損失,。在高頻時,它基本上只具有抗性分量(jωL),,并且抗性分量會隨著頻率上升而增加,,如附圖一所示。實際上,,鐵粉珠是射頻能量的高頻衰減器,。

  其實,可以將鐵粉珠視為一個電阻并聯(lián)一個電感,。在低頻時,,電阻被電感「短路」,,電流流往電感;在高頻時,,電感的高感抗迫使電流流向電阻,。

  本質(zhì)上,鐵粉珠是一種「耗散裝置(dissipative device)」,,它會將高頻能量轉(zhuǎn)換成熱能,。因此,在效能上,,它只能被當成電阻來解釋,,而不是電感。

電感鐵粉特性

  
圖一:鐵粉材料的特性
  
變壓器

  變壓器通常存在于電源供應器中,,此外,它可以用來對數(shù)據(jù)訊號,、I/O連結(jié),、供電接口做絕緣。根據(jù)變壓器種類和應用的不同,,在一次側(cè)(primary)和二次側(cè)(secondary)線圈之間,,可能有屏蔽物(shield)存在。此屏蔽物連接到一個接地的參考源,,是用來防止此兩組線圈之間的電容耦合,。

  變壓器也廣泛地用來提供共模(common mode;CM)絕緣,。這些裝置根據(jù)通過其輸入端的差模(differential mode,;DM)訊號,來將一次側(cè)線圈和二次側(cè)線圈產(chǎn)生磁性連結(jié),,以傳遞能量,。其結(jié)果是,通過一次側(cè)線圈的CM電壓會被排拒,,因此達到共模絕緣的目的,。不過,在制造變壓器時,,在一次側(cè)和二次側(cè)線圈之間,,會有訊號源電容存在。當電路頻率增加時,,電容耦合能力也會增強,,因此破壞了電路的絕緣效果。若有足夠的寄生電容存在的話,,高頻的射頻能量(來自快速瞬變,、ESD,、雷擊……等)可能會通過變壓器,導致在絕緣層另一端的電路,,也會接收到此瞬間變化的高電壓或高電流,。

  上面已經(jīng)針對各種被動組件的隱藏特性做了詳盡的說明,底下將解釋為何這些隱藏特性會在PCB中造成EMI,。
 
淺談電磁理論

  上述的被動組件具有隱藏特性,,而且會在PCB中產(chǎn)生射頻能量,但為何會如此呢,?為了了解其原由,,必須明白Maxwell方程式。Maxwell的四個方程式說明了電場和磁場之間的關系,,而且它們是從Ampere定律,、Faraday定律、和Gauss定律推論而來的,。這些方程式描述了在一個閉回路環(huán)境中,,電磁場強度和電流密度的特性,而且需要使用高等微積分來計算,。因為Maxwell方程式非常的復雜,,在此僅做簡要的說明。其實,,PCB布線工程師并不需要完全了解Maxwell方程式的詳細知識,,只要了解其中的重點,就能完成EMC設計,。完整的Maxwell方程式條列如下:

第一定律:電通量(electric flux)(來自Gauss定律)
定律1
第二定律:磁通量(magnetic flux)(來自Gauss定律)
定律2
第三定律:電位(electric potential)(來自Faraday定律)
定律3
第四定律:電流(electric current)(來自Ampere定律)
定律4

在上述的方程式中,,J、E,、B,、H是向量。此外,,與Maxwell方程式相關的基本物理觀念有:

  ●Maxwell方程式說明了電荷,、電流、磁場和電場之間的交互作用,。

  ●可用「Lorentz力」來形容電場和磁場施加在帶電粒子上的物理作用力,。

  ●所有物質(zhì)對其它物質(zhì)都具有一種組成關系。這包含:

  1. 導電率(conductivity):電流與電場的關系(物質(zhì)的奧姆定律):J=σE,。
2. 導磁系數(shù):磁通量和磁場的關系:B=μH,。
3. 介電常數(shù)( dielectric constant):電荷儲存和一個電場的關系:D=εE。
J = 傳導電流密度,A/m2
σ= 物質(zhì)的導電率
E = 電場強度,,V/m
D = 電通量密度,,coulombs/ m2
ε= 真空電容率(permittivity),8.85 pF/m
B = 磁通量密度,,Weber/ m2或Tesla
H = 磁場,,A/m
μ= 媒材的導磁系數(shù),H/m

 

  依據(jù)Gauss定律,,Maxwell的第一方程式也稱作「分離定理(divergence theorem)」,。它可以用來說明由于電荷的累積,所產(chǎn)生的靜電場(electrostatic field)E,。這種現(xiàn)象,,最好在兩個邊界之間做觀察:導電的和不導電的。根據(jù)Gauss定律,,在邊界條件下的行為,,會產(chǎn)生導電的圍籠(也稱作Faraday cage),充當成一個靜電的屏蔽,。在一個被Faraday箱包圍的封閉區(qū)域,,其外部四周的電磁波是無法進入此區(qū)域的。若在Faraday箱內(nèi)有一個電場存在,,則在其邊界處,此電場所產(chǎn)生的電荷是集中在邊界內(nèi)側(cè)的,。在邊界外側(cè)的電荷會被內(nèi)部電場排拒在外,。

  Maxwell的第二方程式表示,在自然界沒有磁荷(mag

 

netic charge)存在,,只有電荷存在,,也就是說沒有單一磁極(magnetic monopole)存在。雖然,,目前的統(tǒng)一場理論(Grand Unified Theory)預測有很少的磁荷存在,,但迄今都無法從實驗中證明。這些電荷是帶正電的或負電的,。磁場是透過電流和電場的作用產(chǎn)生的,。由于電流和電場的發(fā)射,使它們成為輻射能量的來源點,。磁場在電流四周形成一個封閉的循環(huán),,而磁場是由電流產(chǎn)生的。

 

  Maxwell的第三方程式也稱作「感應的Faraday定律」,,說明當磁場環(huán)繞著一個封閉的電路時,,此磁場會使此封閉電路產(chǎn)生電流。第三方程式和第四方程式是相伴的。第三方程式表示變動的磁場會產(chǎn)生電場,。磁場通常存在于變壓器或線圈,,例如:馬達、發(fā)電機…等,。第三和第四方程式的交互作用,,正是EMC的主要焦點。兩者一起來說,,它們說明了耦合的電場和磁場是如何以光速輻射或傳播,。這個方程式也說明了「集膚效應(skin effect)」的概念,它可以預測「磁屏蔽(magnetic shielding)」的有效性,。此外,,它也說明了電感的特性,而電感允許天線能合理地存在,。

  Maxwell的第四方程式也稱作Ampere定律,。此方程式說明了產(chǎn)生磁場的兩個來源。第一個來源是,,電流以傳輸電荷的形式在流動,。第二個來源是,當變動的電場環(huán)繞著一個封閉的電路時,,會產(chǎn)生磁場,。這些電和磁的來源,說明了電感和電磁的作用,。在此方程式中,,J就代表以電流產(chǎn)生磁場的分量;就是以電場產(chǎn)生磁場的分量,。

  綜合而言,,Maxwell方程式可以說明在PCB中,EMI是如何產(chǎn)生的,。PCB是一個會隨時間改變電流大小的環(huán)境,,而這些微積分方程式正是要對發(fā)生EMI的根源做解析。靜電荷分布會產(chǎn)生靜電場,,而不是磁場,。固定電流會同時產(chǎn)生靜磁場和靜電場。時變(time-varying)電流會同時產(chǎn)生電場和磁場,。

  靜電場會儲存能量,,這是電容的基本功能:累積和保有電荷。固定的電流源是電感的基本功能和概念,。
  
電和磁的來源

  前面已經(jīng)提到,,變動中的電流會產(chǎn)生磁場,靜電荷分布會產(chǎn)生電場,下面將進一步討論電流和輻射電場之間的關系,。我們必須檢視電流源的結(jié)構,,并觀察它是如何影響輻射訊號的。此外,,我們也必須要注意,,當距離電流源越遠時,訊號強度會越低,。

  時變電流存在于兩種結(jié)構中:1.磁的來源(是封閉回路),,2.電的來源(是雙極天線)。首先探討磁的來源,。

磁場射頻傳送

  
圖二:一個磁場的射頻傳送

  在附圖二中,,一個電路包含有一個頻率源(振蕩器)和一個負載。我們可以看到有一個回傳電流(return current),,在此電路沿著封閉回路流動著,。這個封閉回路是由PCB走線和射頻電流的回傳路徑組成的。我們可以利用仿真軟件,,來建立此訊號走線的模型,,并評估此模型所產(chǎn)生的輻射電場。此回路所產(chǎn)生的電場是下面四個變量的函數(shù),。

  1.回路中的電流振幅:電場大小和存在于訊號走線的電流大小成正比,。

  2.回路的極性和測量裝置的關系:如果測量裝置的天線也是呈回路狀(loop),回路電流的極性必須和測量裝置的天線之極性相同,,如此才能測量到正確的回路電流,。例如:如果測量裝置是使用雙極(dipole)天線,則回路電流的極性必須和它一樣,,兩者的極性都必須是垂直的(vertical polarization)。

  3.回路的大小:如果回路非常的?。ū然芈酚嵦柣蚬ぷ黝l率的波長小很多),,則電磁場的強度將和回路面積成正比。如果回路越大,,在天線端所測量到的頻率就越低,。對特定的回路面積而言,此天線會在特定的頻率下共振,。

  4.距離:電磁場強度下降的比 率,,是決定于來源端和天線之間的距離。此外,,此距離也決定所產(chǎn)生的是電場或者是磁場,。當距離比較短時,磁場強度和距離的平方成反比。當距離比較長時,,會出現(xiàn)一個電磁平面波(plane wave),。此平面波強度和距離成正比。在平面波上,,電場向量和磁場向量相交點的位置,,大約在1/6波長的地方(也可使用λ/2π來表示,波長(λ)= 300/f),。1/6波長和EMI的「點源(point source)」相關,,「點源」是指電磁波發(fā)射的起源。接收端天線越大,,1/6波長的值可以越大,。
 
結(jié)語

 

  和大多數(shù)的電子工程設計一樣,EMC設計是需要細心的思慮的,。閱讀本文時,,讀者應該同時參照平時所執(zhí)行的EMC實務工作,如此就可能會發(fā)現(xiàn)許多過去未曾注意到的地方,,而這些地方往往就是EMI最容易發(fā)生的處所,。

  在強調(diào)產(chǎn)品迅速上市的時代里,工程師所承受的壓力與日俱增,。使用良好的EMI模擬工具雖然可以協(xié)助我們快速地達成任務,;但若過度依賴這些工具,恐怕會在一些非常特殊的情況或環(huán)境下,,無法舉一反三,。所以,擁有深厚的理論基礎,,將可以彌補常態(tài)的實務工作之不足,。

  

 
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